蘇門答臘地形以及南海熱帶擾動對印度洋熱帶氣旋生成影響之個案模擬研究

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(1)國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士學位論文. 指導教授：王重傑博士. 蘇門答臘地形以及南海熱帶擾動對印度洋熱帶氣旋生成影響之個案模擬研究 A Numerical Study of the Influence of the Topography of Sumatra Island and Tropical Disturbance over South China Sea on the Formation of Tropical Cyclones in Indian Ocean. 研究生：馬新凱撰. 中華民國 107 年 2 月.

(2) 致謝碩士生涯即將結束，回頭檢視了這些時光，這些日子使我在大氣的專業領域以及待人處事方面都成長了非常多，非常感謝一路以來幫助我的許多人，有你們的協助，才有今天的我。首先要感謝的是我的指導老師王重傑教授，在迷惘的時刻，老師總是能非常有耐心的指導我，並引導著我找出解決問題的方法，使我能順利的完成此篇碩士論文。感謝口試委員李清勝教授及簡芳菁教授給予我許多建議以及提出了論文尚須加強的部分。也非常感謝兩年以來，各位老師的指導，使我在大氣領域上收穫許多。感謝心怡、鑫澔、璧瑜、智昇、怡文、家餘、茂正、南州、邱洵等學長姐們在程式以及各種工具使用上的指導。也非常感謝亞蓁、冠宇、孟軒、陳蔚等好友們的陪伴以及論文上大大小小的幫助以及建議，有了你們的陪伴，使我兩年半的碩士生涯增添許多不同的色彩。也非常感謝我的家人，謝謝你們無怨無悔的付出，讓我沒有煩惱的完成碩士論文。也非常感謝國峰在大氣方面的分享，不論是理論還是工具方面都讓我有非常多的收穫，也很感謝你揪我一起去台大旁聽許多有用且有趣的課，讓我對於預報的理論認知以及實作方面有非常大的成長。要感謝的人太多了，恕我無法一一列舉，最後在此感謝一路以來幫助過我的人們，謝謝你們!. I.

(3) 摘要蘇門答臘島為中心位置位於赤道，呈西北-東南走向的一個狹長島嶼，其山脈亦呈西北-東南走向，綿延 1600 公里，最高海拔達 3800 公尺。北半球冬季期間，亞洲冬季季風常可延伸至海洋大陸區域，當東北風受到蘇門答臘狹長且高聳的山脈地形阻擋，易在蘇門答臘西側兩端背風處形成背風渦漩(Lee Vortex)。由於蘇門答臘地形的獨特性，南北兩端之背風渦漩恰為氣旋式之環流，本研究將以蘇門答臘背風渦漩是否能發展為熱帶氣旋為重點，探討蘇門答臘地形對印度洋熱帶氣旋生成的影響。由於東北風較不易跨越赤道南下至蘇門答臘南端，故本研究選取 YOTC (Year of Tropical Convection)期間(2008 - 2010)，所有蘇門答臘北端西側之背風渦漩發展為熱帶氣旋之 4 個個案進行分析，並選擇 2 個強度較強的個案進行數值模擬。其中一個個案位於蘇門答臘南端西側亦有熱帶氣旋生成，本研究亦會探討蘇門答臘地形對其生成的影響。本研究使用的模式為雲解析風暴模式 (CReSS)，在完成控制組的模擬以及校驗後，並進行了無地形組的敏感度實驗。渦旋之渦度垂直剖面時序顯示，在渦漩仍處背風處時，控制組中渦漩低層的渦度較大，且低層的渦度收支診斷結果顯示，該期間控制組之渦漩有較大的輻合項，顯示蘇門答臘的地形效應確實使渦漩在背風區域時有較大的渦度，此原因為東北風受地形阻擋而形成角隅流(Corner Flow)，使渦旋北端有較強的風速，以及更封閉的環流結構。由選取個案之綜觀分析來看，自南海向西移動的熱帶氣殘留系統、熱帶擾動或其他對流系統所提供的正渦度以及水氣的平流效應亦是相當重要的熱帶氣旋生成因素之一，當上述系統受東北風向西平流進入到北印度洋後，能夠提供背風渦漩正渦度以及水氣平流，使背風渦漩有更好的發展環境。從控制組以及無地形組的模擬結果來看，地形效應雖能增強背風處渦漩的中低層渦度，但並 II.

(4) 不是使選取之個案發展為熱帶氣旋的關鍵要素，其生成原因為東北風或是東風和赤道西風所提供的風切環境以及上述來自南海的正渦度以及水氣平流。另外從控制組和無地形組的比較顯示出當赤道西風到達蘇門答臘時，西風受蘇門答臘高聳的地形影響會偏折為西北風，若有低壓位於蘇門答臘南端的近海，此偏折之西北風能使低壓東側的環流更為閉合，控制組低壓之中低層有較強的平均渦度以及輻合項，使低壓有較好的結構以及能較快的發展為熱帶氣旋。關鍵字：蘇門答臘、背風渦旋、熱帶氣旋生成. III.

(5) 目錄. 致謝. I. 摘要. II. 目錄. IV. 圖表目錄. VII. 第一章前言. 1. 1.1 文獻回顧. 1. 1.2 研究動機. 4. 第二章資料來源與研究方法. 6. 2.1 資料來源. 6. 2.2 研究方法. 7. 2.3 模式簡介. 9. 2.4 模式設定. 12. 第三章個案綜觀分析. 13. 3.1 熱帶氣旋 03A(2008). 13 IV.

(6) 3.2 氣旋風暴 NISHA(2008). 15. 3.3 熱帶氣旋 07B(2008). 17. 3.4 氣旋風暴 WARD(2009). 19. 3.5 熱帶氣旋 CLEO(2009). 20. 3.6 小節. 21. 第四章氣旋風暴 NISHA 模擬結果. 22. 4.1 控制組之模擬結果. 22. 4.2 無地形組之模擬結果. 27. 4.3 渦度垂直結構、渦度收支比較. 29. 4.4 福祿數分析. 31. 4.5 渦度以及水氣平流. 32. 4.6 小節. 34. 第五章氣旋風暴 WARD 模擬結果. 35. 5.1 控制組之模擬結果. 35. 5.2 無地形組之模擬結果. 39. 5.3 渦度垂直結構、渦度收支比較. 41. 5.4 福祿數分析. 43. 5.5 渦度以及水氣平流. 44. 5.6 小節. 47. 第六章氣旋風暴 CLEO 模擬結果. 48. 6.1 控制組之模擬結果. 48 V.

(7) 6.2 無地形組之模擬結果. 51. 6.3 渦度垂直結構、渦度收支比較. 52. 6.4 風場結構比較. 53. 6.5 小節. 54. 第七章總結. 56. 參考文獻. 59. 圖表. 63. VI.

(8) 圖表目錄表 2. 1 CRESS 模式參數設定 ·······························································63 表 2. 2 CRESS 模式各層對應之高度 ······················································64 圖 1. 1 蘇門答臘區域地形，色階單位為公尺，箭頭為 KUETTNER(1967,1989)提出的背風渦漩形成之示意，黃、紅色點線以及方框為 FINE ET.AL (2016)分析緯向風以及背風區域渦度的相關性區域。.................................................. 65 圖 1. 2 不同長寬比以及高度之障礙物對應不同狀態之層流會產生的情況，Ε 為福祿數之倒數，Β 為障礙物之長寬比，引用自 EPIFANIO (2003)。 ........... 65 圖 2. 1 虛線內為無地形實驗中移除地形之區域，移除方式為將虛線內高度大於 1 公尺的格點改為 1 公尺。............................................................................... 66 圖 2. 2 CRESS 模式模擬的範圍，範圍約為 70°E – 120 °E , 20°S – 20°N。 ......... 66 圖 3.1 (A) 2008 至 2009 年 4 月以及 (B) 2009 至 2010 年 4 月之自蘇門答臘地形附近發展為熱帶氣旋的渦漩路徑圖，細線為尚未達到熱帶氣旋強度時期的路徑，中心位置定位自 EC YOTC 再分析資料之低層渦度場，粗線為熱帶氣旋被命名後之路徑，來源為 JTWC BEST TRACK，此圖取自 FINE ET AL. (2016)。........................................................................................................ 67 圖 3.2 (A 至 F) 2008 年 10 月 7 日至 10 月 17 日，每兩日 0000 UTC 之 EC YOTC 850 HPA 的風場以及渦度場，箭頭為風場，單位為 M/S，色階為渦度，單位為 10-5 × S-1。 .................................................................................................. 68 圖 3.3 熱帶氣旋 03A (2008)每 6 小時一筆的路徑圖，虛線為自 EC YOTC 再分析資料之 850HPA 高度風場定位的氣旋中心，實線為 JTWC BEST TRACK 定位的中心位置，標示之數字為日期(只在 0000 UTC 標示)，氣旋強度如右下圖例。.................................................................................................................. 69. VII.

(9) 圖 3.4(A 至 F) 2008 年 10 月 7 日 0000 UTC 至 10 月 17 日 1200 UTC 之 EC YOTC 850 HPA 的風場以及總可降水量場，箭頭為風場，單位為 M/S，色階為總可降水量，單位為釐米。...................................................................... 70 圖 3.5 熱帶氣旋 03A 之初使環流形成前後 4 日的時間-經度哈莫圖，縱軸為時間，橫軸為經度，圖中 100 °E 為印度洋與南海的交界，色階為赤道至 15 °N 之經向平均總可降水量，單位為 mm，熱帶氣旋標誌處為 03A 開始出現初始環流的時間以及經度位置。. 71. 圖 3.6 (A 至 F) 同圖 3.2，但為 2008 年 11 月 15 日至 11 月 25 日每兩日 0000 UTC 之 EC YOTC 850HPA 風場以及渦度場。 ............................................... 72 圖 3.7 EC YOTC 再分析資料之氣旋風暴 NISHA 平均渦度時間-高度剖面，色階為平均渦度，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間，平均半徑為 550 公里。.............................................................................................. 73 圖 3.8 氣旋風暴 NISHA 之初使環流形成前後 4 日的時間-經度哈莫圖，縱軸為時間，橫軸為經度，圖中 100 °E 為印度洋與南海的交界，色階為赤道至 15 °N，700 HPA 之經向平均相對渦度，單位為 10-6 × S-1，熱帶氣旋標誌處為 NISHA 開始出現初始環流的時間以及經度位置。 ........................................ 73 圖 3.9 氣旋風暴 NISHA (2008)每 6 小時一筆的路徑圖，虛線為自 EC YOTC 再分析資料之 850 HPA 高度風場定位的氣旋中心，實線為 JTWC BEST TRACK 定位的中心位置，標示之數字為日期(只在 0000 UTC 標示)，氣旋強度如右下圖例。.............................................................................................. 74 圖 3.10 (A 至 F) 同圖 3.4，但為 11 月 15 日至 25 日的總可降水量場。 ............. 75 圖 3.11 同圖 3.5，但為氣旋風暴 NISHA 形成初始封閉環流前後 4 日之經向平均總可降水量哈莫圖。.......................................................................................... 76 圖 3.12 (A 至 F) 同圖 3.2，但為 2008 年 11 月 25 日至 12 月 5 日每兩日 0000 UTC 之 EC YOTC 850HPA 風場以及渦度場。 ............................................... 77 VIII.

(10) 圖 3.13 熱帶低壓 IO07(2008)每 6 小時一筆的路徑圖，虛線為自 EC YOTC 再分析資料之 850HPA 高度風場定位的氣旋中心，實線為 JTWC BEST TRACK 定位的中心位置，標示之數字為日期(只在 0000 UTC 標示)，氣旋強度如右下圖例。.............................................................................................................. 78 圖 3.14 同圖 3.6，但為熱帶氣旋 07B (2008)平均渦度之時間-高度剖面。 79 圖 3.15 同圖 3.7，但為熱帶氣旋 07B (2008)形成初始環流前後 4 日的 500 HPA 高度經向平均相對渦度哈莫圖。...................................................................... 79 圖 3.16 (A 至 F) 同圖 3.4，但為 11 月 25 日至 12 月 5 日的總可降水量場。 ..... 80 圖 3.17 同圖 3.5，但為熱帶氣旋 07B (2008)形成初始封閉環流前後 4 日之經向平均總可降水量哈莫圖。.................................................................................. 81 圖 3.18(A 至 F) 同圖 3.2，但為 2009 年 11 月 29 日至 12 月 9 日每兩日 0000 ... 82 圖 3.19 同圖 3.6，但為熱帶氣旋 WARD (2009)平均渦度之時間-高度剖面。 .... 83 圖 3.20 同圖 3.7，但為熱帶氣旋 WARD (2009)形成初始環流前後 4 日的 600 HPA 高度經向平均相對渦度哈莫圖。 ............................................................. 83 圖 3.21(A 至 F) 同圖 3.4，但為 2009 年 11 月 29 日至 12 月 9 日的總可降水量場。...................................................................................................................... 84 圖 3.22 同圖 3.5，但為熱帶氣旋 WARD (2009)形成初始封閉環流前後 4 日之經向平均總可降水量哈莫圖。.............................................................................. 85 圖 3. 23 同圖 3.13，但為氣旋風暴 WARD (2009)每 6 小時一筆的路徑圖。 ....... 86 圖 3. 24 同圖 3.13，但為熱帶氣旋 CLEO (2009)每 6 小時一筆的路徑圖。 ........ 86. 圖 4.1 (A 至 F) 2008 年 11 月 15 日至 11 月 25 日，EC YOTC 再分析資料之 850 HPA 之風場(M/S)、渦度場(10-5 × S-1)以及重力位高(M)，等值線為重力位高，以及(A 至 F) CRESS 模式模擬之控制組 1547 公尺高風場、渦度場(10-5 × S-1)以及氣壓場，兩組圖之色階均為渦度，箭頭均為風場。 IX. 88.

(11) 圖 4.2 (A 至 F) 修改自 2008 年 11 月 15 日至 11 月 25 日，CIMMS 反演之總可降水量場(MM)，以及(A 至 F) CRESS 模式模擬之控制組 1547 公尺高風場 (M/S)、總可降水量場(MM)，兩組圖之色階均為總可降水量場。. 90. 圖 4.3 同圖 3.8，但為 EC YOTC 2008 年 11 月 14 日 1200 UTC 至 11 月 22 日 0000 UTC 經向平均相對渦度之哈莫圖。圖 4.4 同圖 4.3，但為 CRESS 模擬之控制組的結果。. 91 91. 圖 4.5 同圖 3.5，但為 EC YOTC 2008 年 11 月 14 日 1200 UTC 至 11 月 22 日 0000 UTC 經向平均總可降水量之哈莫圖。. 92. 圖 4.6 同圖 4.5，但為 CRESS 模擬之控制組的結果。. 92. 圖 4.7 氣旋風暴 NISHA (2008) 之最大近中心風速，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微風速，單位為節(KNOT)，橫軸為時間以及模式時間。 93 圖 4.8 氣旋風暴 NISHA (2008) 之近中心最低氣壓，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微氣壓，單位為百帕，橫軸為時間以及模式時間。. 93. 圖 4.9 氣旋風暴 NISHA (2008) 之路徑圖，黑線為 JTWC BEST TRACK，綠線為控制組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，藍線無地形組，數字為 0000 UTC 時的日期。. 94. 圖 4.10 氣旋風暴 NISHA 於巔峰強度時期的衛星觀測之 91GZ 亮溫 (A 至 E)(左) 以及 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX 以及 1547 公尺高之氣流線，色階為 Q3MAX，單位為 G/KG (F 至 J)(右)。. 96. 圖 4.11 2008 年 11 月 23 日 1200 UTC 至 11 月 29 日 0000 UTC 之累積降雨，資料來源為 TRMM，色階為累積降雨，單位為釐米。. X. 97.

(12) 圖 4.12 2008 年 11 月 23 日 1200 UTC 至 11 月 29 日 0000 UTC 之 CRESS 模式模擬之控制組累積降雨，色階為累積降雨，單位為釐米。. 97. 圖 4.13 (A 至 F)同圖 4.1 (A 至 F)，但為 2008 年 11 月 17 日至 11 月 27 日每兩日之 0000 UTC 控制組 1547 M 高的風場、渦度場、氣壓場，(A 至 F) 則為無地形組之模擬結果。. 99. 圖 4.14 (A 至 F)同圖 4.2，但為 2008 年 11 月 17 日至 11 月 27 日每兩日之 0000 UTC 控制組 1547 M 高的風場、總可降水量場、氣壓場，(A 至 F) 則為無地形組之模擬結果。. 101. 圖 4.15 氣旋風暴 NISHA 於巔峰強度時期的衛星觀測之 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX (A 至 E)(左)以及無地形組之 Q3MAX(F 至 J)(右)，氣流線為 1547 公尺高之風場，色階為 Q3MAX，單位為 G/KG。. 103. 圖 4.16 2008 年 11 月 23 日 1200 UTC 至 11 月 29 日 0000 UTC 之 CRESS 模式模擬之無地形組累積降雨，色階為累積降雨，單位為釐米。圖 4.17. 104. 控制組和無地形組在 2008 年 11 月 26 日整日之平均風速差異，色階為. 平均風速差異值，單位為節(KNOT)。. 104. 圖 4.18 控制組中氣旋風暴 NISHA 之平均渦度時間-高度剖面，色階為平均渦度，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。圖 4.19 同圖 4.，但為無地形組之結果。. 105 105. 圖 4.20 控制組與無地形組中氣旋風暴 NISHA 之平均渦度時間-高度剖面差異值 (控至組-無地形組)，色階為平均渦度差異值，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。. 106. 圖 4.21 控制組中氣旋風暴 NISHA 在 1547 公尺高的渦度收支折線圖，黑線為渦度趨勢項，藍線為水平平流項，棕線為垂直傳送項，綠線為輻合項，紅線為傾側項，粉紅線為力管項，紫線為剩餘項，包含了誤差以及摩擦力項，黑色虛線為平均渦度，縱軸為時間以及模式模擬時間，左側縱軸為渦度趨 XI.

(13) 勢項以及其他各項的值，單位為 S-2，右側縱軸為平均渦度值，單位為 S1. 。. 107. 圖 4.22 同圖 4.19，但為無地形組之結果。. 107. 圖 4.23 控制組之蘇門答臘迎風面福祿數以及背風渦漩平均渦度趨勢項之延遲相關性分析折線圖，縱軸為相關係數，橫軸為渦漩平均趨勢項延遲的小時數。. 108. 圖 4.24 同圖 4.21，但為無地形組之結果。. 108. 圖 4.25 控制組之氣旋風暴 NISHA 渦度趨勢項以及福祿數之散佈圖(渦度趨勢項延遲 23 小時)，縱軸為平均趨勢項，橫軸為福祿數。圖 4.26 同圖 4.25，但為無地形組(渦度趨勢項延遲 3 小時)的結果。. 109 109. 圖 4.27 控制組中氣旋風暴 NISHA 之平均渦度平流時間-高度剖面，色階為平均渦度平流，單位為 10-11 × S-2，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。圖 4.28 同圖 4.25，但為無地形組的結果。. 110 110. 圖 4.29 (A 至 F) 2008 年 11 月 17 日至 11 月 29 日每兩日之 0000UT CRESS 模式模擬之控制組 5152 公尺高風場、渦度場以及氣壓場，色階為渦度單位為 10-5 × S-1，箭頭為風場，單位為 M/S，等值線為氣壓，單位為 HPA。圖 4.30 同圖 4.29，但為無地形組的結果。. 111 112. 圖 4.31 控制組中氣旋風暴 NISHA 之平均水氣平流時間-高度剖面，色階為平均水氣平流，單位為 10-10 KG × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。圖 4.32 同圖 4.29，但為無地形組的結果。. 113 113. 圖 4.33 (A 至 F) 控制組之 5982 高風場、水氣場以及氣壓場，色階為水氣，單位為 10-4 KG/KG，箭頭為風場，單位為 M/S，等值線為氣壓，單位為 HPA。. 114. 圖 4.34 同圖 4.31，但為無地形組的結果。. XII. 115.

(14) 圖 5.1 (A 至 F) 2009 年 11 月 30 日至 12 月 10 日，EC YOTC 再分析資料之 850 HPA 之風場(M/S)、渦度場(10-5 × S-1)以及重力位高(M)，等值線為重力位高，以及(A 至 F) CRESS 模式模擬之控制組 1547 公尺高風場、渦度場 (10-5 × S-1)以及氣壓場，兩組圖之色階均為渦度，箭頭均為風場。 .......... 117 圖 5.2 (A 至 F) 修改自 2009 年 11 月 30 日至 12 月 10 日，CIMMS 反演之總可降水量場(MM)，以及(A 至 F) CRESS 模式模擬之控制組 1547 公尺高風場 (M/S)、總可降水量場(MM)，兩組圖之色階均為總可降水量場。 ............ 119 圖 5.3 同圖 3.8，但為 EC YOTC 2009 年 11 月 29 日 0000 UTC 至 12 月 5 日 0000 UTC 經向平均相對渦度之哈莫圖。...................................................... 120 圖 5.4 同圖 5.4，但為 CRESS 模擬之控制組結果。 ........................................... 120 圖 5.5 同圖 3.5，但為 EC YOTC 2009 年 11 月 29 日 0000 UTC 至 12 月 5 日 0000 UTC 經向平均總可降水量之哈莫圖。.................................................. 121 圖 5.6 同圖 5.5，但為 CRESS 模擬之控制組結果。 ............................................ 121 圖 5.7 氣旋風暴 WARD (2009) 之最大近中心風速，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微風速，單位為節(KNOT)，橫軸為時間以及模式時間。 ............................................................................................................................ 122 圖 5.8 氣旋風暴 WARD (2009) 之近中心最低氣壓，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微氣壓，單位為百帕，橫軸為時間以及模式時間。.... 122 圖 5. 9 氣旋風暴 WARD (2009) 之路徑圖，黑線為 JTWC BEST TRACK，綠線為控制組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，藍線無地形組，數字為 0000 UTC 時的日期。............................................................................................... 123. XIII.

(15) 圖 5. 10 氣旋風暴 WARD 於巔峰強度時期的衛星觀測之 91GZ 亮溫 (A 至 F)(左) 以及 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX 以及 1547 公尺高之氣流線，色階為.................................................................................................................... 125 圖 5.11(A 至 F)同圖 4.1 (A 至 F)，但為 2009 年 11 月 30 日至 12 月 10 日每兩日之 0000 UTC 控制組 1547 M 高的風場、渦度場、氣壓場，(A 至 F) 則為無地形組之模擬結果。........................................................................................ 127 圖 5. 12A 至 C 為 2009 年 12 月 2 日至 3 日每 12 小時之控制組之緯向平均渦度以及緯向平均虛位溫(左)，D 至 E 則為無地形組之剖面(右)，色階為緯向平均渦度，單位為 10-5 × S-1，等值線為緯向平均虛位溫，單位為°K。緯向平均範圍為 2°N - 7°N。黑色區域為沿著 4°N 之地形，102°E 附近之地形為馬來半島，97°E 附近之地形則為蘇門答臘。 .................................................. 128 圖 5.13(A 至 F)同圖 4.2，但為 2008 年 11 月 17 日至 11 月 27 日每兩日之 0000 UTC 控制組 1547 M 高的風場、總可降水量場、氣壓場，(A 至 F) 則為無地形組之模擬結果。........................................................................................ 130 圖 5. 14 氣旋風暴 WARD 於巔峰強度時期 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX (A 至 F)(左)以及無地形組之 Q3MAX(G 至 L)(右)，氣流線為 1547 公尺高之風場，色階為 Q3MAX，單位為 G/KG。...................................................... 132 圖 5. 15 控制組中氣旋風暴 WARD 之平均渦度時間-高度剖面，色階為平均渦度，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ....................... 133 圖 5. 16 同圖 5.15，但為無地形組的平均渦度時間-高度剖面。 ........................ 133 圖 5. 17 控制組與無地形組中氣旋風暴 WARD 之平均渦度時間-高度剖面差異值 (控至組-無地形組)，色階為平均渦度差異值，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ................................................................................. 134 圖 5. 18 同圖 5.15 以及圖 5.14，但為 EC YOTC 再分析資料之 WARD 平均渦度時間-高度剖面。 .............................................................................................. 134 XIV.

(16) 圖 5.19 控制組中氣旋風暴 WARD 在 1547 公尺高的渦度收支折線圖，各項之平均範圍為 550 公里圓內的區域，黑線為渦度趨勢項，藍線為水平平流項，棕線為垂直傳送項，綠線為輻合項，紅線為傾側項，粉紅線為力管項，紫線為剩餘項，包含了誤差以及摩擦力項，黑色虛線為平均渦度，縱軸為時間以及模式模擬時間，左側縱軸為渦度趨勢項以及其他各項的值，單位為 S-2，右側縱軸為平均渦度值，單位為 S-1。 .................................................. 135 圖 5.20 同圖 5.17，但為無地形組中 WARD 的渦度收支。 ................................. 135 圖 5.21 CRESS 模擬之控制組 2009 年 12 月 1 日 0000 UTC 的 1547 M 風場 (M/S)、渦度場 (10-5 × S-1)，等值線為 500 M 之地形。 .............................. 136 圖 5.22 同圖 5.21，但為無地形組的模擬結果。................................................... 136 圖 5. 23 控制組之蘇門答臘迎風面福祿數以及背風渦漩平均渦度趨勢項之延遲相關性分析折線圖，縱軸為相關係數，橫軸為渦漩平均趨勢項延遲的小時數。.................................................................................................................... 137 圖 5. 24 同圖 5.19，但為控制組分析之結果。...................................................... 137 圖 5. 25 控制組之氣旋風暴 WARD 渦度趨勢項以及福祿數之散佈圖(渦度趨勢項延遲 5 小時)，縱軸為平均趨勢項，橫軸為福祿數。 .................................. 138 圖 5. 26 同圖 5.21，但為無地形組(渦度趨勢項延遲 1 小時)的分析結果。 ...... 138 圖 5. 27 控制組中氣旋風暴 WARD 之平均渦度平流時間-高度剖面，色階為平均渦度平流，單位為 10-11 × S-2，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ............ 139 圖 5. 28 同圖 5.23，但為無地形組 WARD 的渦度平流時間-高度剖面。 ......... 139 圖 5.29 (A 至 F) 2009 年 11 月 30 日至 12 月 10 日每兩日之 0000UT CRESS 模式模擬之控制組 4738 公尺高風場、渦度場以及氣壓場，色階為渦度單位為 10-5 × S-1，箭頭為風場，單位為 M/S，等值線為氣壓，單位為 HPA。 .... 140 圖 5.30 同圖 5.27，但為無地形組的模擬結果。.................................................. 141. XV.

(17) 圖 5.31 控制組中氣旋風暴 WARD 之平均水氣平流時間-高度剖面，色階為平均水氣平流，單位為 10-10 KG × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ..... 142 圖 5.32 同圖 5.29，但為無地形組中 WARD 的水氣平流時間-高度剖面。 ...... 142 圖 5.33 (A 至 F)控制組之 5982 高風場、水氣場以及氣壓場，色階為水氣，單位為 10-4 KG/KG，箭頭為風場，單位為 M/S，等值線為氣壓，單位為 HPA。 ............................................................................................................................ 143 圖 5.34 同圖 5.31，但為無地形組之模擬結果。.................................................. 144 圖 5.35 同圖 5.31，但為控制組之 2688 M 模擬結果。 ........................................ 145 圖 5.36 同圖 5.31，但為無地形組之 2688 M 模擬結果。 .................................... 146. 圖 6. 1 熱帶氣旋 CLEO (2009) 之最大近中心風速，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微風速，單位為節(KNOT)，橫軸為時間以及模式時間。 ............................................................................................................................ 147 圖 6. 2 氣旋風暴 NISHA (2008) 之近中心最低氣壓，綠線為控制組，藍線為無地形組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，黑線為 JTWC BEST TRACK 所提供的強度資訊，縱軸微氣壓，單位為百帕，橫軸為時間以及模式時間。 147 圖 6. 3 熱帶氣旋 CLEO (2009) 之路徑圖，黑線為 JTWC BEST TRACK，綠線為控制組，紅線為 EC YOTC 再分析資料，藍線無地形組，數字為 0000 UTC 時的日期。............................................................................................... 148 圖 6. 4 熱帶氣旋 CLEO 於巔峰強度時期的衛星觀測之 91GZ 亮溫 (A 至 C)(左) 以及 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX 以及 1547 公尺高之氣流線，色階為 Q3MAX，單位為 G/KG (D 至 F)(右)。 ................................................ 149. XVI.

(18) 圖 6. 5 熱帶氣旋 CLEO 於巔峰強度時期 CRESS 模式模擬之控制組之 Q3MAX (A 至 F)(左)以及無地形組之 Q3MAX(G 至 L)(右)，氣流線為 1547 公尺高之風場，色階為 Q3MAX，單位為 G/KG。...................................................... 150 圖 6. 6 控制組中熱帶氣旋 CLEO 之平均渦度時間-高度剖面，色階為平均渦度，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ............................... 151 圖 6. 7 同圖 6.6，但為無地形組中 CLEO 的平均渦度時間-高度剖面。 ........... 151 圖 6. 8 控制組與無地形組中熱帶氣旋 CLEO 之平均渦度時間-高度剖面差異值 (控至組-無地形組)，色階為平均渦度差異值，單位為 10-6 × S-1，縱軸為高度(公尺)，橫軸為時間。 ................................................................................. 152 圖 6. 9 控制組中熱帶氣旋 CLEO 在 1547 公尺高的渦度收支折線圖，各項之平均範圍為 550 公里圓內的區域，黑線為渦度趨勢項，藍線為水平平流項，棕線為垂直傳送項，綠線為輻合項，紅線為傾側項，粉紅線為力管項，紫線為剩餘項，包含了誤差以及摩擦力項，黑色虛線為平均渦度，縱軸為時間以及模式模擬時間，左側縱軸為渦度趨勢項以及其他各項的值，單位為 S-2，右側縱軸為平均渦度值，單位為 S-1。 .................................................. 153 圖 6. 10 同圖 6.9，但為無地形組中 CLEO 的渦度收支。 .................................. 153 圖 6. 11 2009 年 12 月 1 日至 12 月 4 日期間，CLEO 生成初期渦漩之東北象限平均風場時序，平均高度為 50 公尺至 1912 公尺，時間解析度為一小時，上排為控制組之東北象限平均風場，下排則為無地形組，單位為 M/S。 .... 154 圖 6. 12 控制組以及無地形組中熱帶氣旋 CLEO 之最大風速半徑，綠線為控制組，藍線為無地形組，縱軸為最大風速半徑，單位為公里，橫軸為實際時間以及模式時間。............................................................................................ 154 圖 7. 1 季風季後(POST-MONSOON)印度洋熱帶氣旋生成要素示意圖。. XVII. 155.

(19) 第一章前言 1.1 文獻回顧北印度洋的熱帶氣旋是造成孟加拉灣與阿拉伯海地區一帶災害的一大因素，由於孟加拉灣以及阿拉伯海地區的人口眾多，熱帶氣旋造成的風暴潮、強風以及降雨時常造成該地區嚴重的災損(Lander and Guard, 2001)，而北印度洋熱帶氣旋主要的好發時期為季風季之後(post-monsoon)，次要的期間為季風季之前(premonsoon)，在夏季季風期間，雖然北印度洋也有許多熱帶擾動，但由於暖心結構的季風低壓主宰北印度洋區域，使得北印度洋的垂直風切較大，不利於熱帶氣旋生成，導致該期間僅有不到 20%的熱帶擾動能發展至熱帶氣旋(Gray, 1986； Subbaramayya and Rao, 1984；Kikuchi and Wang, 2009) ; 而西南印度洋的熱帶氣旋好發的期間為南半球的夏季期間(11 月至 4 月)(Gray, 1986)，其影響區域為馬達加斯加以及中非附近的地區(RSMC La Reunion. Meteo-France, 2013)。過去研究指出，利於熱帶氣旋生成的環境有:高於 26.5°C 之深厚暖海水層、不穩定的大氣環境、高相對溼度的中低層大氣、擾動中心附近之垂直風切不能太大、科氏參數不趨近於零的區域、低層渦度較大的環境(Gray, 1986);而伴隨熱帶氣旋生成的大尺度特徵有:季風合流區(monsoon confluence region)、季風風切線 (monsoon shear line)、季風渦漩(monsoon gyre)、東風波(easterly wave)、Rossby wave energy dispersion (Zehr, 1992; Ritchie and Holland, 1999)。另外，對於整個印度洋而言，Madden–Julian oscillation(MJO)、赤道羅士比波(Equatorial Rossby wave)、 Kelvin wave 以及混合羅士比重力波(Mixed Rossby-Gravity Waves)均為有機會促成熱帶氣旋生成的原因，其中又以 MJO 以及赤道羅士比波的貢獻最為顯著，MJO 提供了低層環境渦度以及利於熱帶氣旋發展的垂直風切環境，赤道羅士比波則提供了利於對流發展的環境以及渦度(Bessafi and Wheeler, 2006 ; Wang and Moon, 2017)。 1.

(20) 除了上述的要素外，地形也是造成熱帶氣旋生成的原因，Farfán and Zehnder (1997)以及 Zehnder et al. (1999)的中美洲颶風個案研究顯示出中美洲地形是造成東太平洋熱帶氣旋生成的因素之一，當東風波到達中美洲山脈東側時，東風通過山脈的間隙後會形成山間噴流，而部分東風受到山脈阻擋的效應產生繞流，在背風處形成背風渦漩，另外再配合來自 ITCZ 的水氣平流，使環境更利於背風渦漩發展，這個個案研究結果顯示藉由地形繞流產生出初始的背風渦漩後，當環境適合它繼續發展，背風渦漩將有機會發展為熱帶氣旋。 Kuettner (1967,1989)提出了蘇門答臘地形的獨特性可能是造成印度洋上對稱氣旋(cyclone pair)的原因之一，蘇門答臘是位於海洋大陸的西側，中心位於赤道上，呈西北-東南走向的島嶼，其地形亦呈西北-東南走向，山脈綿延 1600 公里，最高海拔達 3805 公尺。當亞洲冬季東北季風到達蘇門答臘時，東北風受狹長且高聳的蘇門答臘地形影響，易形成地形繞流而在南北兩側的背風處形成背風渦漩，若環境適合背風渦漩繼續發展，將有機會成為熱帶氣旋，示意以及地形圖如圖 1.1。過去已有許多研究探討背風渦漩的生成條件，在福祿數(Froude number)小於 1 的情況時，層流碰上障礙物易被阻擋，流場會因為障礙物而轉向，向原先前進方向的兩側分開，隨後在下游處合流，於背風處形成互為反向旋轉的一對渦漩 (Smolarkiewicz and Rotunno 1989; Rotunno and Smolarkiewicz 1991)。而福祿數是一個用於評估流體特性的一個重要參數，其計算式如(1.1 式)，式中之 Fr 為福祿數，U 為朝向地形的流體流速，N 為浮力震盪頻率(Brunt–Väisälä frequency)，h 為障礙物高度，當 Fr > 1 時，代表流速相對於地形較為湍急，流體易通過障礙物， Fr < 1 時，代表流速相對於地形較為緩慢，不易通過障礙物。. Fr =. U Nh. (1.1). 然而福祿數並不是唯一決定層流是否會被障礙物阻擋而形成分流的要素，障礙物的大小與形狀也是相當重要的一個因素， Epifanio (2003)歸納出不同流速對應不同長寬比(aspect ratio)的障礙物會出現的情形，如圖 1.2，其中橫軸之 β 為障 2.

(21) 礙物之長寬比(寬除以長)，縱軸之 ε 為無因次之障礙物高度，為福祿數之倒數。當層流通過高度較低的障礙物時( 即 ε << 1 )，不論障礙物的長寬比為何，流體會因為障礙物而在背風處形成山岳波(重力波)；當 β > 1(也就是障礙物為較狹長的情況時)，若 ε > 0.7 至 1.2 (視物體長寬比而不同)，就會產生 wave breaking 的情形，這是由於流體通過障礙物之前，向上轉向的流體使得上層流體的密度較下層的大，進而產生局部的紊流而導致；而 ε ≳ 1 時，過高的障礙物會使層流不易直接通過，會使層流產生繞流的情形，流體分流後，於下游處再度合流即是形成背風渦漩的原因。蘇門答臘地形之平均最高高度約為 1600 公尺，而地形長度約為 1600 公里，故長寬比( β )為千分之一，若 ε > 1.5 (Fr > 0.67 )，此時氣流到達蘇門答臘時，易形成分流以及背風渦漩，且由於蘇門答臘特殊的地形以及位置，對於南、北兩邊的背風渦漩均為氣旋式的環流。 Fine et al. (2016)基於 Kuettner (1967,1989)的想法，利用歐洲中期天氣預報中心( European Centre for Medium-Range Weather Forecasts , ECMWF ) 之 YOTC 以及 DYNAMO 再分析資料，整理出印度洋上 2008 年至 2012 年所有的渦漩路徑發，現有 25%的熱帶氣旋發源地是來自蘇門答臘西側，且對於所有南北印度洋之渦漩路徑分布狀況而言，蘇門答臘西北以及西南兩側均是渦漩生成非常密集的區域。另外，該研究將 2008 年至 2012 年間，蘇門答臘南、北迎風面區域 (3°–7°N, 100°E，以及 3°–7°S, 105°E) 900 hPa 高度的緯向風(西風為正值，東風為負值)與蘇門答臘背風區域的渦度做相關性分析(範圍如圖 1.1)，結果顯示，蘇門答臘北端緯向風與背風區域渦度之相關係數為-0.76，南端則為 0.6，綜合以上結果，顯示了當蘇門答臘南北兩端東側為東風的情況時，易使背風區產生氣旋式的渦度(北端為正渦度，南端為負渦度)，利於背風渦漩的形成。. 3.

(22) 1.2 研究動機 Kuettner (1967,1989)提出了蘇門答臘地形可能是造成南北印度洋對稱氣旋的原因，但隨後並未受到重視。而近期，Fine et al. (2016)統整出 2008 年至 2012 年間，北印度洋有 5 個熱帶氣旋的發源地是來自蘇門答臘西北側，佔該時段熱帶氣旋總數的 31.3%，而南印度洋則有 8 個熱帶氣旋來自蘇門答臘西南側，佔該時段熱帶氣旋總數的 22.9%，顯示出蘇門答臘背風渦漩可能為印度洋熱帶氣旋之雛形。 Takahashi et al. (2011)利用日本 25 年再分析資料(Japanese 25-year Reanalysis, JRA-25)再分析資料以及日本氣象廳氣候資料同化系統(Japanese Meteorological Agency Climate Data Assimilation System, JCDAS)資料，根據不同的月份(10 月至 3 月)，合成了 1979 至 2007 年間，所有強東北風個案情況下印度洋、海洋大陸區域的 925hPa 之風場配置，發現了 10 月、3 月，由於東北風提供了水平風切，使南海上形成一正渦度區域，而 11 月、12 月、1 月、2 月，除了東北風使南海形成一正渦度區域外，於北印度洋也有一個大範圍的氣旋式之正渦度區域，意味著北半球冬季時，東北季風極有可能是影響印度洋、南海熱帶氣旋生成的重要因素之一。 Chang et al. (2005)使用了 NCEP-NCAR 再分析資料(National Centers for Environmental Prediction–National Center for Atmospheric Research reanalysis, NCEP-NCAR Reanalysis)以及 JMA 之向日葵地球同步衛星(GMS)1 號至 5 號觀測之黑體溫度合成了 1979 至 2001 年冬季不同強度的東北風以及有無婆羅洲渦漩的風場、對流配置，發現了當有婆羅洲渦漩存在時，東北風越強的情況，婆羅洲渦漩的渦度會越強，代表了東北風是主要使婆羅洲渦漩生成的原因之一。綜合以上研究，當南海盛行氣流為東北風的情況，時常於蘇門答臘背風處形成背風渦漩，而南海上也易形成婆羅洲渦漩，婆羅洲渦漩的移動方向大致可分為半滯留(semistationary)以及西行兩種(Lin and Lee, 2011)，目前尚無探討西行的婆羅洲渦漩移動至北印度洋後是否有機會發展為熱帶氣旋的研究，且過去研 4.

(23) 究仍未針對背風渦漩發展為熱帶氣旋的個案進行分析以及動力過程的探討，本研究將從 Fine et al. (2016) 的研究，挑選出 YOTC 期間 (2008 至 2010 年)蘇門達臘北端背風渦漩發展為熱帶氣旋的個案進行數值模式模擬在 YOTC 的 2 年期間(2008 年至 2010 年)於北印度洋一共有 4 個熱帶氣旋的初始渦漩為蘇門答臘西北側的背風渦漩，在檢視過觀測以及再分析資料後(詳細內容於本研究第三章)，發現其中 3 個個案，在背風渦漩形成初期於南海上均有西行的婆羅洲渦漩，當婆羅洲渦漩移入北印度洋後，為北印度洋帶來了不少的水氣。而在另一個個案中，南海上方有來自西太平洋的熱帶擾動殘留的水氣，這些水氣隨後被東北風平流至北印度洋。本研究將專注於探討當西行的婆羅洲渦漩移動至蘇門答臘西側(北印度洋)時，婆羅洲渦漩的水氣以及渦度，是否為提供背風渦漩發展為熱帶氣旋的要素，另外也專注於探討蘇門答臘背風渦漩發展至熱帶氣旋的過程，本研究選用 ECMWF 之 YOTC (Year of Tropical Convection)再分析資料作為初始、邊界資料，使用的模式為 CReSS 模式(Cloud Resolving Storm Simulator )，藉以探討背風渦漩發展為熱帶氣旋過程的渦度收支以及福祿數分析，並移除蘇門答臘地形做無地形的敏感度測試，用以探討蘇門答臘地形對這些個案的貢獻，若能了解蘇門答臘背風渦漩發展為熱帶氣旋的機制，將能對於印度洋熱帶氣旋生成的預報能力有所幫助。本研究分為 7 個章節，第 1 章為文獻回顧以及研究動機，第 2 章為資料來源以及研究方法，第 3 章為背風渦漩發展為熱帶氣旋之個案綜觀分析，而依照個案發生時序分為第 4 章以及第 6 章，分別為選取的 3 個個案以及之模擬結果以及分析，分析內容包含渦度方程收支、渦漩之渦度高度-時間剖面、渦漩之水氣以及渦度平流高度-時間剖面、渦度趨勢項和福祿數之延遲相關性分析，第 7 章為總結。. 5.

(24) 第二章資料來源與研究方法 2.1 資料來源本研究使用的資料如下: 1.. 歐洲中期天氣預報中心( European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF )之熱帶對流年(Year of Tropical Convection, YOTC )全球再分析網格資料。 YOTC 期間為 2008 年 5 月 1 日至 2010 年 4 月 30 日，為世界氣候研究計劃. (World Climate Research Program, WCRP)以及世界天氣研究計畫(World Weather Research Programs, WWRP )下的虛擬密集觀測實驗(Moncrieff et al. 2012)，其觀測資料包含了同步衛星、繞極衛星、浮標、探空以及來自其他平台的觀測資料，這些即時的觀測資料均被同化至 ECMWF 作業用全球模式分析資料 (Operation analysis, OA)中，提供了更準確的大氣與海洋資料。本研究使用之 ECMWF YOTC 資料之空間解析度為 0.25° × 0.25°，垂直層一共 20 層(1000、950、925、900、850、800、700、600、500、400、300、 250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)，時間解析度為 1 天 4 筆 ( 0000、0600、1200、1800 UTC)，大氣變數包含了東西向風速 (U component of wind)、南北向風速 (V component of wind)、垂直速度(Vertical velocity)、重力位 (Geopotential)、溫度(Temperature)、相對溼度(Relative humidity)，海洋變數使用了海表溫度(Sea surface temperature)。 2.. 聯合颱風警報中心 (Joint Typhoon Warning Center , JTWC) 提供的最佳路徑 (Best Track)之熱帶氣旋路徑、強度資料。. 3.. 美國海軍研究實驗室(United States Naval Research Laboratory, NRL)以及威斯康辛大學太空科學工程中心(Space Science and Engineering Center, SSEC). 6.

(25) 提供的美國國防氣象衛星計畫(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP) 衛星微波產品。 4.. 美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)以及日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)聯合執行之熱帶降水觀測任務(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)逐三小時一筆的反演降水資料，水平解析度為 0.25°。. 2.2 研究方法為了探討背風渦漩的形成以及背風渦漩發展為熱帶氣旋的過程，本研究使用雲解析風暴模式(CReSS)針對 YOTC 期間所有在北印度洋之蘇門答臘背風渦漩發展為熱帶氣旋的個案進行模擬。該期間一共有 4 個個案，其中 2 個個案同時於南、北印度洋形成熱帶氣旋，使用的初始、邊界資料為 EC YOTC 之網格點資料，其資料詳細內容如 2.1 節所述，而選取的模擬初始時間為東北風到達蘇門答臘的前 6 小時，模擬至熱帶氣旋消散，詳細模式設定於 2.4 節中說明。另外為了得知蘇門答臘地形對於印度洋熱帶氣旋生成的影響，本研究使用相同設定以及初始、邊界資料來做無地形的敏感度實驗，移除的地形為蘇門答臘島，移除範圍如圖 2.1 中虛線框出的區域。模擬結果的校驗，使用 JTWC 的最佳路徑資料中的熱帶氣旋路徑和模式中 1547 公尺高(約為 850 hPa 之高度)、每 6 小時一筆資料之環流中心路徑做比較。強度方面亦使用 JTWC 的最佳路徑提供之 1 分鐘最大持續風速以及最低氣壓資料和模式中熱帶氣旋的地表最大風速以及最低氣壓做比較，並以地面最大近中心風速達 34 kt 時，做為熱帶氣旋生成之時間點。此外，也使用衛星微波觀測反演結果和模式的總可降水量的分布狀況來做水氣分布狀況比較。另外，為了了解渦漩的渦度垂直結構演變情況以及比較控制組與無地形組中的渦漩渦度差異，本研究自背風渦漩於 1547 公尺高的環流場出現閉合中心 7.

(26) 後，以該層高度之渦漩中心為準心，將半徑 550 公里圓內的渦度做平均，將每個高度層都以相同於 1547 公尺層面之作法(圓心亦以 1547 公尺高之環流中心)，可得單一時間的渦度垂直結構分布，再對每一筆時間作相同的計算可得渦度垂直剖面結構的時序圖，同時也使用相同的方法繪製出渦度、水氣平流的時間-高度剖面，以定量的方式探討來自南海的渦度以及水氣平流的貢獻。比較過控制組以及無地形組中渦漩的渦度垂直剖面結構之差異後，再使用渦度方程(2.1 式)診斷控制組與無地形組中渦漩初期之渦度差異較大的層面以及時間，藉以推斷渦度差異的原因。2.1 式中，ζ 為相對渦度，V 為水平風向量， η為絕對渦度，w 為垂直速度，ρ為密度，p 為氣壓，式中左側為局地的相對渦度趨勢，等號右側第一項為渦度平流項，為水平風和絕對渦度梯度的內積乘上負號，代表了局地相對渦度在有相對渦度梯度存在時，被二維風場傳送的情況，第二項為渦度的垂直傳送項，此項代表了局地相對渦度向上或向下傳送的情況，第三項為輻合項，純輻合風場會因為科氏力產生氣旋式旋轉，氣塊也會因為輻合產生垂直拉伸，使相對渦度增大，第四項為傾側項，其生成垂直渦度的原理為因為環境風場的差異而使水平渦度傾側為垂直向的渦度，第五項為力管項，其產生渦度的原因為氣壓梯度與密度梯度的方向不同所導致，第六項為摩擦力項。另外，為了得知個案中東北風地形繞流對於背風渦漩之渦度相關性，本研究將背風渦漩尚於背風處時段的渦度趨勢項與福祿數做相關性分析。. 𝜕ζ 𝜕𝑡. ⃗ ∙ 𝛻𝜂 − 𝑤 = −𝑉 𝜕𝐹𝑦. +( 𝜕𝑥 −. 𝜕𝐹𝑥 𝜕𝑦. 𝜕ζ 𝜕𝑧. ⃗ )+( − 𝜂(𝛻 ∙ 𝑉. 𝜕u 𝜕w. 𝜕𝑧 𝜕𝑦. −. ). 𝜕v 𝜕w 𝜕𝑧 𝜕𝑥. )+. 1 𝜕𝜌 𝜕𝑝 𝜌2. (. 𝜕𝑥 𝜕𝑦. –. 𝜕𝜌 𝜕𝑝 𝜕𝑦 𝜕𝑥. ) (2.1). 8.

(27) 2.3 模式簡介本研究使用的雲解析風暴模式(CReSS)為日本名古屋大學宇宙地球環境研究所(Space–Earth Environmental Research, ISEE)之氣象大氣部門開發，版本為 3.4.2。模式為非靜力、可壓縮之方程式系統，水平座標使用笛卡爾座標，垂直座標使用追隨地勢座標，變數配置方面，水平方向使用了 Arakawa–C 型的網格點，垂直方向使用了 Lorenz 網格。模式的基本方程有:背景場之靜力方程、狀態方程、動量方程、氣壓擾動方程、位溫擾動方程、三態水混合比方程、水物質密度方程，詳細方程式如下: 背景場之靜力方程： ∂𝑝̅ = −𝜌̅ 𝑔 ∂z 其中𝑝為氣壓，𝜌為密度，均可分為背景場以及擾動場，g 為重力加速度。即𝑝 = 𝑝̅ + 𝑝’，𝜌 = 𝜌̅ + 𝜌’。. 狀態方程： 𝜌=. 𝑝. R𝑑 𝑇. (1 −. 𝑞𝑣 )(1 + 𝑞𝑣 + ∑ 𝑞𝑥 ) 𝜀 + 𝑞𝑣. 其中R 𝑑 為乾空氣之氣體常數，𝑇為溫度，𝜀為水氣與乾空氣之分子量比(0.622)，𝑞𝑣 為水氣混合比，𝑞𝑥 為各種相態粒子之混合比，一共有雲水(𝑞𝑐 )、雲冰(𝑞𝑖 )、雨水(𝑞𝑟 )、雪 (𝑞𝑠 )、軟雹(𝑞𝑔 )、雹(𝑞ℎ )六種。. 動量方程： ∂𝑝̅ 𝑢 ∂𝑢 ∂𝑢 ∂𝑢 ∂𝑝’ = −𝑝̅ (𝑢 +𝑣 +𝑤 )− + 𝑝̅ (𝑓𝑠 𝑢 − 𝑓𝑐 𝑤) + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑢 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ∂𝑝̅ 𝑣 ∂𝑣 ∂𝑣 ∂𝑣 ∂𝑝’ = −𝑝̅ (𝑢 +𝑣 +𝑤 )− + 𝑓𝑠 𝑝̅ 𝑢 + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑣 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂y ∂𝑝̅ 𝑤 ∂𝑤 ∂𝑤 ∂𝑤 ∂𝑝’ )− = −𝑝̅ (𝑢 +𝑣 +𝑤 − 𝑝̅ 𝐵𝑢𝑜𝑦. 𝑤 + 𝑓𝑐 𝑢 + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑤 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂z 9.

(28) 其中𝑓𝑠 、𝑓𝑐 分別為水平方向以及垂直方向之科氏參數，𝑇𝑢𝑟𝑏.為個方向之亂流混合作用項，𝐵𝑢𝑜𝑦. 𝑤為垂直方向之浮力項。. 氣壓擾動方程： ∂𝑝’ ∂𝑝’ ∂𝑝’ ∂𝑝’ = − (𝑢 +𝑣 +𝑤 ) + 𝜌̅ 𝑔𝑤 ∂t ∂x ∂y ∂z −𝜌̅ 𝑐𝑠2 (. ∂𝑢 ∂𝑢 ∂𝑢 1 𝑑𝜃 1 𝑑𝑄 + + ) + 𝜌̅ 𝑐𝑠2 ( − ) ∂x ∂y ∂z 𝜃 𝑑𝑡 𝑄 𝑑𝑡. 其中𝑐𝑠 為大氣中的聲速，𝜃為位溫，𝑄 = 1 + 0.608 𝑞𝑣 + ∑ 𝑞𝑥. 位溫擾動方程： ∂𝜌̅ 𝜃’ ∂𝜃’ ∂𝜃’ ∂𝜃’ ∂𝜃̅ = −𝜌̅ (𝑢 +𝑣 +𝑤 ) − 𝜌̅ 𝑤 + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝜃 + 𝜌̅ 𝑆𝑟𝑐. 𝜃 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂z 其中𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝜃為次網格尺度之位溫亂流混合作用項，𝑆𝑟𝑐. 𝜃為水經相態變化(凝結、. 蒸發、昇華、凍結、融解)造成位溫改變之作用項。. 三態水混合比方程： ∂𝜌̅ 𝑞𝑣 ∂𝑞 ∂𝑞 ∂𝑞 = −𝜌̅ (𝑢 𝑣 + 𝑣 𝑣 + 𝑤 𝑣 ) + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑞𝑣 + 𝜌̅ 𝑆𝑟𝑐. 𝑞𝑣 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂𝜌̅ 𝑞𝑥 ∂𝑞 ∂𝑞 ∂𝑞 = −𝜌̅ (𝑢 𝑥 + 𝑣 𝑥 + 𝑤 𝑥) + 𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑞𝑥 + 𝜌̅ 𝑆𝑟𝑐. 𝑞𝑥 + 𝜌̅ 𝐹𝑎𝑙𝑙. 𝑞𝑥 ∂t ∂x ∂y ∂z 其中𝑇𝑢𝑟𝑏. 𝑞𝑥 為該項態水物質的次網格亂流混合作用項，𝑆𝑟𝑐. 𝑞𝑥為水物質的增加以及減少作用項，𝐹𝑎𝑙𝑙. 𝑞𝑥 為沉降(降水)項。. 水物質密度方程：. ∂𝑁𝑥 ∂ 𝑁𝑥 ∂ 𝑁𝑥 ∂ 𝑁𝑥 𝑁𝑥 𝑁𝑥 𝑁𝑥 = −𝜌̅ [𝑢 ( ) + 𝑣 ( ) + 𝑤 ( )] + 𝑇𝑢𝑟𝑏. + 𝜌̅ 𝑆𝑟𝑐. + 𝐹𝑎𝑙𝑙. ∂t ∂x 𝜌̅ ∂y 𝜌̅ ∂z 𝜌̅ 𝜌 ̅ 𝜌 ̅ 𝜌 ̅ 其中𝑁𝑥 為冰相粒子的濃度(𝑚−3 )，包含了雲冰(𝑁𝑖 )、雪(𝑁𝑠 )、霰(𝑁𝑠 )，𝑇𝑢𝑟𝑏.以及𝐹𝑎𝑙𝑙.同上，分別為次網格亂流混合作用以及沉降(降水)項。 10.

(29) 而因為採用了完全可壓縮的系統，包含大氣中各種不同波動的解，其相速有很大的差異，故將含有音波的項使用短時間積分法，其他則以長時間積分法，長時間積分使用跳蛙法搭配 Asselin 的時間濾波法，短時間積分法使用了陽解法的 backward scheme，並在方程式中加入發散項來抑制音波的成長，垂直方向則使用陰解法的 Crank-Nicolson schemes。 CReSS 模式不使用積雲參數化方法，雲物理過程之參數化方法以 Lin et al. (1983)、Cotton et al. (1986)、Murakami (1990)、Ikawa and Saito (1991) 以及 Mueakami et al. (1994)的總體參數化方法(bulk parameterization)為基礎，模式中的雲物理過程示意圖如圖 2.2，其中𝑞𝑐 、𝑞𝑖 、𝑞𝑟 、𝑞𝑠 、𝑞𝑔 、𝑞ℎ 分別代表雲水、雨、雲冰、雪、雹之混合比，而𝑁𝑈 𝐴𝑣𝑖 為昇華核化(deposition or sorption nucleation)，𝑁𝑈 𝐹𝑐𝑖 為凍結核化(condensation-freezing nucleation)，𝑁𝑈 𝐶𝑐𝑖 為接觸核化(contact nucleation)， 𝑁𝑈 𝐻𝑐𝑖 為同質核化(homogeneous nucleation)，𝑆𝑃 為二次冰晶生成(secondary. nucleation of ice crystals)，VD為水蒸氣的昇華、凝結、蒸發(vapor deposition, evaporation and sublimation)，CL為碰撞合併(collection)，PG為其他相態水和霰碰撞附著而使霰成長的效應(graupel produciton)，AG為聚合(aggregation)，CN為相態轉換(conversion)，ML為融解(melting)，FR為凍結(freezing)，SH為洩滴 (shedding of liquid water)，𝑆𝐻 𝑁 為冰晶二次核化(secondary nucleation of ice crystals)，𝐶𝐿𝑁 為和密度相關的碰撞合併(collection)，𝐴𝐺 𝑁 為和密度相關的聚合 (aggregation)，𝐶𝑁 𝑁 為和密度相關的相態轉換(conversion)，𝐹𝑅𝑁 為和密度相關的凍結(freezing)，𝛼𝑟𝑠 為雨滴和雪碰撞而形成霰的作用。. 11.

(30) 2.4 模式設定本研究使用 CReSS3.4.2 版進行個案模擬，初始邊界資料選用 EC YOTC 再分析資料，水平解析度為 0.25°，垂直層數為 20 層，時間解析度為 6 小時，海溫資料亦使用 EC YOTC 再分析資料，水平解析度為 0.25°。模擬時段為自 EC YOTC 再分析資料中選取熱帶氣旋初始渦漩出現閉合環流的前 1 日做為模擬之初始時間，而熱帶氣旋消散的時間做為模擬結束時間。模擬的範圍如圖 2.2，約為 70°E – 120 °E，20°S – 20°N，水平解析度為 4 km，水平網格點數為 1403 × 1119，總共 1,569,957 個網格點，垂直方向為伸展網格，平均間距為 500 公尺，一共 40 層，模式頂約 20 公里高，詳細設定如表 2.1，而各層高度詳細情況如表 2.2，雲物理過程選用冷雲過程。大步距為 3 秒，小步距為 0.5 秒，模式輸出頻率為 1 小時。。. 12.

(31) 第三章個案綜觀分析如第二章研究方法所述，本研究自 Fine et al. (2016)的研究中挑選出 YOTC 期間，所有蘇門答臘西北側背風渦漩發展為熱帶氣旋的個案，使用 ECYOTC 再分析資料以及作分析，另外由於的 4 個個案 Ward 的期間，於蘇門答臘西南側亦有熱帶低壓發展至熱帶氣旋的強度，本研究亦會探討蘇門答臘地形是否對他的形成有產生影響，圖 3.1 為 Fine et al. (2016)研究中整理出 YOTC 期間(2008 年至 2010 年)之個案路徑圖，本研究依據時序，將其分為 5 個個案： 1.熱帶氣旋 03A (2008) 2.氣旋風暴 Nisha (2008) 3.熱帶氣旋 IO07 (2008) 4.氣旋風暴 Ward (2009) 5.熱帶氣旋 Cleo (2009) 本章節將根據上述 5 個熱帶氣旋個案分為 5 小節。. 3.1 熱帶氣旋 03A(2008) (1)發展過程 (渦度場、水氣場綜觀分析以及路徑) 從 EC YOTC 再分析資料渦度場(圖 3.2)可發現，於 2008 年 10 月 9 日 (圖 3.2 (a))，當東北東風到達蘇門答臘東側迎風面後，受地形阻擋，於背風面形成了背風渦旋，隨後，10 月 11 日 0000 UTC 開始自背風區向西移出，並和南印度洋的低壓(熱帶氣旋 Asma 的前身)成為了成對的氣旋(twin cyclone)(圖 3.2(c)至 (f))，在 10 月 19 日，印度氣象局(India Meteorological Department, IMD)將其升格為熱帶低壓 ARB02，並於 21 日再將其升格為強熱帶低壓，而 JTWC 將其命名為熱帶氣旋 03A，24 日登陸葉門後隨即減弱為低壓系統，自背風渦漩形成至達到熱帶氣旋強度時期的強度、路徑圖如圖 3.3。. 13.

(32) 而從 EC YOTC 再分析資料的總可降水量場以及風場(圖 3.4)可以發現，10 月 7 日 0000 UTC 時有一熱帶擾動通過菲律賓附近(圖 3.4 a)，此熱帶擾動隨後北轉並減弱，但其殘留的渦度以及水氣向西移入至南海(圖 3.2a 至 f 以及圖 3.4 a 至 f)，於 9 日 0000 UTC 時，來自熱帶擾動系統殘留的水氣已移至馬來半島(圖 3.4 b)，隨後被平流至背風渦漩的環流內(圖 3.4 c 至 f)，這些水氣提供了熱帶氣旋生成一個良好的環境。為了更清楚的呈現水氣自南海移入制印度洋的現象，在此將赤道至 15 °N 的經向平均總可降水量繪製成時間-經度之哈莫圖(圖 3.5)，印度洋與南海的邊界為 100 °E，而圖 3.5 中，氣旋標誌處為 03A 形成初始封閉環流的時間以及地點，在初始環流形成之前，可以發現有較潮濕的水氣自南海移入至印度洋，使 03A 能在生成前期有較潮溼的發展環境，另外也可從圖 3.4 以及圖 3.5 看出，在 10 月 11 日 0000 UTC 至 13 日 0000 UTC 的期間，亦有潮濕的空氣自南海移入至北印度洋，此潮濕空氣的來源為太平洋的熱帶擾動 22W，如 1.1 所述，根據前人研究，高相對溼度的中低層大氣環境確實是使熱帶氣旋生成的原因之一(Gray, 1986)。 (2)巔峰強度以及災損根據 JTWC Best Track，熱帶氣旋 03A 巔峰時期的最大近中心風速為 30 kts，最低中心氣壓為 1000 hPa。03A 登陸葉門後隨即減弱為低壓，但其殘餘的對流系統造成劇烈降雨，在葉門造成嚴重的傷亡以及財損，財損總額約為 16 億美金。根據 AsiaNews 在 2008 年 10 月 28 日的報導，這場天災死亡人數到達 184 人，有 100 人失蹤，是葉門史上第二嚴重的氣象災害。. 14.

(33) 3.2氣旋風暴 Nisha(2008) (1) 發展過程 (渦度場、水氣場綜觀分析以及路徑) 圖 3.6 a 至 f 為 2008 年 11 月 15 日至 11 月 25 日 EC YOTC 再分析資料之渦度場以及風場。從 EC YOTC 再分析資料渦度場可發現，2008 年 11 月 15 日 0000 UTC 時，熱帶風暴梅莎(Maysak)殘餘的渦度位於中南半島南端，隨著此殘留低壓系統的西移，其西北象限的東北風與赤道西風在蘇門答臘西北側處形成了一個水平風切的區域(圖 3.6 a)，並進一步於 17 日 0000 UTC 時在背風處出現了一個封閉氣流線的渦旋(圖 3.6 b)。值得注意的是，位於南海之熱帶風暴梅莎(Maysak)殘餘的部分渦度於 15 日 0000 UTC 開始被東北風平流至背風渦漩內，而 19 日 0000 UTC 至 25 日的期間 (圖 3.6 c 至 f)，來自背風渦漩西側亦有上一個位於北印度洋的氣旋風暴 KhaiMuk 殘留的渦度平流至背風渦漩內。同一期間，東側也受到來自於南海的正渦度平流，這些渦度是來自熱帶風暴諾爾(Noul)的殘餘系統。另外 19 日 0000 UTC 至 23 日 0000 UTC 的期間，蘇門答臘東側均是東風，東風受到蘇門答臘地形影響，有可能會在背風區形成正渦度(圖 3.6 c 至 f)。綜合以上，受到來自 3 個熱帶氣旋殘留的渦度平流，以及東風繞流和東北風以及赤道西風，形成了一個大的正水平風切區域，於 23 日 0000 UTC 時，在北印度洋上形成了一個東西走向之狹長且大範圍的正渦度區域(圖 3.6 e)。於 25 日 0000 UTC 時，在斯里蘭卡形成了較有組織的熱帶擾動系統並在斯里蘭卡滯留兩天，印度氣象局於 25 日對此低壓系統發出警報，隨後向北移出斯里蘭卡，於 26 日時此熱帶低壓升格為氣旋風暴 Nisha，並朝西北方前進並登陸印度，此氣旋風暴自背風渦漩時至氣旋風暴的強度、路徑如圖 3.7。為了更清楚的呈現熱帶氣旋殘留之渦度移入至北印度洋的情況，首先繪製了熱帶氣旋 Nisha 整個生命期間平均渦度的時間-高度剖面圖(圖 3.8)，平均半徑為 550 公里，自圖 3.8 可以發現，Nisha 在形成初期時，最大平均渦度的高度層 15.

(34) 面為 700 hPa 處，故在此將 700 hPa 高度之渦度場繪製成時間-經度哈莫圖(圖 3.9)，自圖 3.9 可以清楚發現，在 Nisha 發展的前期，確實有 2 個熱帶氣旋之殘餘渦度移進北印度洋，使 Nisha 在一個高相對渦度的環境下發展，高相對渦度的環境亦是有利於熱帶氣旋生成的環境(Gray, 1986)。另外從 EC YOTC 再分析資料的總可降水量場也可發現(圖 3.10)，於氣旋風暴 Nisha 發展的初期，有受到來自赤道以及南海的水氣平流，其來源亦為熱帶氣旋的殘留系統，為了更清楚的呈現潮濕空氣自南海移入北印度洋的情況，亦使用了哈莫圖來呈現，如圖 3.11。 (2)巔峰強度以及災損根據 JTWC Best Track，氣旋風暴 Nisha 的巔峰強度之最大近中心風速為 50 kts，最低中心氣壓為 985 hPa。根據 Reliefweb 以及 Tamil Eelam News Services 的報導，Nisha 於 2008 年 11 月 25 日造成斯里蘭卡北部 15 人死亡以及迫使 8 萬至 9 萬人撤離；累積降雨方面斯里蘭卡北部的賈夫納也記錄到了自 1918 年以來最大的累積降雨量，一周累積降雨量達到 520.1 釐米。在印度的災情方面，根據 Internet Archive 以及 The New Indian Express 的報導，受到氣旋風暴 Nisha 的影響，印度一共有 189 人死亡，印度東南部的坦賈武爾也觀測到了 660 釐米的單日累積降雨量，打破了 65 年來的紀錄，而於 25 日至 28 日，於印度東南部的奧拉塔納杜觀測到了 1280 釐米的累積雨量，為印度史上第 4 多雨的氣旋風暴，總財損為 8 億美元。. 16.

(35) 3.3 熱帶氣旋 07B(2008) (1)發展過程 (渦度場、水氣場綜觀分析以及路徑) 從 EC YOTC 再分析資料渦度場(圖 3.12)可發現，於 2008 年 11 月 25 日 0000 UTC 時，受長延時東北風以及赤道西風的影響下，於南海形成了婆羅洲渦漩，西側部分的渦度移入至蘇門答臘北端，於 27 日 0000 UTC 時移至蘇門達臘北端的西側背風處成為背風渦漩，自 27 日開始至 30 日，東北風持續到達蘇門答臘東側，東北風受蘇門答臘地形影響產生繞流，背風渦漩持續於背風處增強，11 月 29 日至 12 月 1 日的期間，婆羅洲渦漩持續向西移入至背風渦漩內，使背風區渦度增大，隨後背風渦漩便朝向西北西移動，於 12 月 4 日時，印度氣象局將其升格為熱帶低壓 BOB08，而 JTWC 於同時將其命名為熱帶氣旋 07B，5 日時，印度氣象局將其再升格為強低壓，7 日時其減弱為熱帶低壓，並登陸斯里蘭卡，登陸後不久即減弱為低壓，而強度、路徑圖如圖 3.13。為了更清楚的呈現熱帶氣旋殘留之渦度移入至北印度洋的情況，首先繪製了熱帶氣旋 07B 整個生命期間平均渦度的時間-高度剖面圖(圖 3.14)，平均半徑為 550 公里，自圖 3.14 可以發現，07B 在形成初期時，最大平均渦度的高度層面為 500 hPa 處，故在此將 500 hPa 高度之渦度場繪製成時間-經度哈莫圖(圖 3.15)，自圖 3.15 可以清楚發現在 07B 發展的前期如上述，婆羅洲渦漩分為 2 個時段進入北印度洋，提供了 07B 初期重要的渦度來源。而水氣方面，從 EC YOTC 再分析資料的總可降水量場(圖 3.16)也可發現，自 27 日形成背風渦漩後開始，來自南海的婆羅洲渦漩的水氣不斷的移入至背風渦漩內，為了更容易的看出此現象，此處亦繪製了總可降水量之哈莫圖(圖 3.17)，自圖 3.17 可以發現在 07B 形成初始環流的初期，確實有婆羅洲渦漩之水氣平流至北印度洋，提供了熱帶氣旋生成的一個良好的條件。. 17.

(36) (2) 巔峰強度以及災損根據 JTWC Best Track，熱帶氣旋 07B 的巔峰時段之最大近中心風速為 35 節，最低中心氣壓為 996 百帕，由於登陸斯里蘭卡時已減弱為低壓，故無重大災損，而根據印度氣旋局對於此熱帶低壓的報告中指出，印度東南部的本地治里於 12 月 9 日記錄到了單日累積降雨量 90 釐米。. 18.

(37) 3.4 氣旋風暴 Ward(2009) (1)發展過程 (渦度場、水氣場綜觀分析以及路徑) 從 EC YOTC 再分析資料渦度場(圖 3.18)可發現，11 月 29 日時，婆羅洲渦漩西北象限之東北風到達蘇門答臘東側，隨後東北風受到地形影響產生繞流，另外由於東北風以及赤道西風於北印度洋上形成了一正的風切渦度環境，使得於 12 月 1 日時，在蘇門答臘西北側背風面形成了背風渦漩。另外 12 月 1 日至 3 日的期間，南海上的向西移動的婆羅洲渦漩之渦度開始移入至北印度洋，使背風渦漩受到來自南海婆羅洲渦漩的渦度平流，並快速增強。熱帶氣旋 Ward 在初始環流形成初期，由 Ward 的平均渦度時間-高度剖面來看(圖 3.19)，垂直結構之最強渦度約在 600 hPa，故在此以 600 hPa 層面之經向平均相對渦度場哈莫圖(圖 3.20)來呈現上述婆羅洲渦漩移入的情況，亦是能清楚發現在 Ward 初始環流形成初期，有自南海移入北印度洋的渦度，在檢視過渦度場之綜觀情況後，可以確定其來源為婆羅洲渦漩之渦度。此外，從 EC YOTC 再分析資料總可降水量資料(圖 3.21)也可以發現，12 月 1 日至 12 月 3 日，該婆羅洲渦漩的水氣隨著婆羅洲渦漩西行並移入背風渦漩內，使背風渦漩快速增強，隨後向西北西的方向移出，而總可降水量之哈莫圖亦可清楚的呈現此現象(圖 3.22)。於 12 月 5 日時，印度氣象局將其升格為熱帶低壓 BOB05，隔了一日快速增強達到氣旋風暴的強度，於 6 日時印度氣象局將其升格為氣旋風暴 Ward，於 14 日時登陸斯里蘭卡並減弱為熱帶低壓，其路徑圖如圖 3.23。 (2)巔峰強度以及災損根據 JTWC 的 Best Track，氣旋風暴 Ward 的巔峰強度之最大近中心風速為 45 節，中心最低氣壓為 989 百帕，於 12 月 5 日，在印度東南方的坦米爾納杜邦紀錄到了單日累積降雨量 150 釐米，無重大災情傳出。. 19.

(38) 3.5 熱帶氣旋 Cleo(2009) (1)發展過程 (渦度場、水氣場綜觀分析以及路徑) 和 3.4 節之熱帶氣旋 Ward 個案同期，於 11 月 29 日時，位於蘇門答臘西南側也有一個熱帶低壓，其最初發展前期的環流在南印度洋之副熱帶高壓之東南信風以及赤道西風形成的風切環境中形成，另外值得注意的是，從 EC YOTC 再分析資料渦度場(圖 3.18)可發現，在 11 月 29 日至 12 月 4 日的期間，當赤道西風到達蘇門答臘時，受到蘇門答臘高聳的地形影響，西風受到地形影響偏折為西北風，Fine et al. (2016)的研究中提及了此情況的地形效應可能會幫助熱帶氣旋生成，於 3 日時，該低壓隨後向西南移向中印度洋，於 12 月 6 日時在中印度洋升格為熱帶擾動 06，次日，快速增強達到熱帶氣旋的強度，JTWC 將其升格為熱帶氣旋 03S，於 8 日增強到了 4 級熱帶氣旋，其強度、路徑圖如圖 3.24，而 12 月 10 日後，因為受到較大風切以及進入到較低溫的海面的影響，便逐漸減弱，於 14 日時在印度洋上減弱為低壓並消散。 (2)巔峰強度以及災損根據 JTWC 的 Best Track，熱帶氣旋 Cleo 的巔峰強度之最大近中心風速為 115 節，強度屬薩菲爾-辛普森颶風等級(Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale, SSHWS)中的第 4 級颶風等級，中心最低氣壓為 937 百帕，由於熱帶氣旋 Cleo 整個生命期都在印度洋面上，無登陸任何鄰近國家，故無災損情形出現。. 20.

(39) 3.6 小節綜合以上 5 個熱帶氣旋生成個案，對於本研究分析之北印度熱帶氣旋生成的個案而言，除了 3.1 節之熱帶氣旋 03A 以外，其他 3 個個案(氣旋風暴 Nisha、熱帶氣旋 07B、氣旋風暴 Ward)在他們還是背風渦漩的時期，均有受到來自南海的正渦度平流。這些渦度來源，是來自西太平洋颱風或是熱帶擾動的殘留渦度，或是來自南海上的婆羅洲渦漩；而水氣方面，對於北印度洋熱帶氣旋生成的 4 個個案，都有受到來自南海的水氣平流，這些水氣來源和上述渦度平流的來源相同，都是來自西太平洋的颱風或是熱帶擾動的殘留水氣，又或者是來自南海婆羅洲渦漩的水氣，故本研究除了探討蘇門答臘地形的繞流效應對北印度洋熱帶氣旋生成是否有影響以外，亦會探討這些來自南海的渦度、水氣平流對於北印度洋熱帶氣旋生成的貢獻。由於本研究所分析的北印度洋的熱帶氣旋生成個案之綜觀環境情況都很相似，故選取其中強度最強的 2 個個案進行數值模式模擬，並移除蘇門答臘地形進行敏感度測試，來探討地形對北印度洋熱帶氣旋生成的影響。選取模擬的個案為 3.2 節的氣旋風暴 Nisha、 3.4 節的氣旋風暴 Ward 以及 3.5 節的熱帶氣旋 Cleo，由於熱帶氣旋 Cleo 生命期的前期，氣旋北側的赤道西風到達蘇門答臘後，可能受到高聳的蘇門答臘地形而偏折為西北風，Fine et al.(2016)的研究中指出，此效應可能亦為造成熱帶氣旋生成要素之一，故本研究亦會探討此地形效應對於此熱帶氣旋生成的影響。. 21.

(40) 第四章氣旋風暴 Nisha 模擬結果本研究之實驗使用 CReSS 3.4.2 版進行模擬，使用的初始、邊界條件為 EC YOTC 再分析資料，詳細之初始、邊界條件的選用以及模式設定如第二章所述。氣旋風暴 Nisha 個案模擬之初始時間為 2008 年 11 月 14 日 1200 UTC 至 2008 年 11 月 29 日 1200 UTC，模擬時間共 15 日，模擬期間涵蓋了氣旋風暴 Nisha 完整的生命期，包含了自蘇門答臘西北側背風區開始形成封閉氣流線之背風渦漩時期，以及背風渦漩再逐漸發展為氣旋風暴強度並登陸印度後消散的期間。. 4.1 控制組之模擬結果 (1)綜觀比對本節將討論氣旋風暴 Nisha 在 CReSS 模式中模擬的結果和 EC YOTC 再分析資料的比較，圖 4.1 (A 至 F)為 EC YOTC 再分析資料 2008 年 11 月 15 日至 2008 年 11 月 25 日每兩日之 0000 UTC 850 hPa 之渦度場、風場以及重力位高，圖 4.1(a 至 f)為 CReSS 模式模擬之相同期間，相近高度(1547 m)之渦度場、風場以及氣壓場。於 15 日 0000 UTC，CReSS 模式顯示東北風以及赤道西風於蘇門答臘西北端形成一輻合區，並形成背風渦漩 (圖 4.1a、b)，時間上和 EC YOTC 再分析資料相當類似(圖 4.1 A、B)，於 19 日，背風渦漩中心開始向西移動(圖 4.1 c)，此外於 19 日前，蘇門答臘東側迎風面的風向均為偏東風，這點和 EC YOTC 是相似的，另外在 19 日時，可明顯發現南海上有一些正渦度受較強的東北風平流至印度洋區域(圖 4.1C 以及 c)，並再 21 日至 23 日併入向西移出的背風渦漩環流內(圖 4.2 D、E 及 d、e)，此時段在北印度洋因為處在東北風以及赤道西風的輻合區，在北印度洋上形成了一個大範圍的熱帶低壓區域，這點也和 EC YOTC 再分析資料十分的相似，而在 23 日 0000 UTC 的時候，從氣壓場以及風場可以看出，模式中原先位於北印度洋上的大範圍低壓帶的渦度結構開始 22.

(41) 較有組織性，中心位置約在斯里蘭卡東方 500 公里的海面上(圖 4.1 E 及 e)， 25 日時，低壓之暴風圈開始影響斯里蘭卡地區，其原先較為鬆散的渦度結構持續的對稱化並增強，氣壓也仍逐漸下降當中(圖 4.1 F、f)，對於上述期間，氣旋風暴 Nisha 的結構、動向均和 EC YOTC 再分析資料十分的接近，另外，如 3.2 節所述，在氣旋風暴 Nisha 的生成期間，控制組模擬結果也能看出南海的 2 個熱帶氣旋殘留系統之渦度有向西移入北印度洋並進入背風渦旋環流的情況。而模式模擬之水氣場校驗方面，除了參考第三章之 EC YOTC 再分析資料之總可降水量場以外，亦使用了威斯康辛大學(University of Wisconsin-Madison) 之 CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies)反演之總可降水量場 (Morphed Integrated Microwave Imagery at CIMSS-Total Precipitable Water, MIMIC-TPW)資料做比較，該資料計算之方式是將 Aqua 以及 DMSP13/14 繞極衛星觀測之 37 GHz 亮溫資料反演為總可降水量場，以此總可降水量作為初始場，並假設總可降水量場為保守的前提下，使用 NCEP GFS 模式分析資料之中低層平均風場(地面至 600 百帕)對總可降水量場做平流並內差所得到的每小時一筆之總可降水量資料(Wimmers and Velden, 2011)。圖 4.2 (A 至 F)為 CIMSS 反演之 2008 年 11 月 15 日至 11 月 25 日每兩日之 0000 UTC 總可降水量場，(a 至 f) 則為同期間 CReSS 模式控制組模擬之總可降水量以及 1547 公尺之風場，色階為總可降水量，單位為 mm，箭頭為風場，單位為 m/s。從控制組之總可降水量場(圖 4.2 a 至 f)以及 CIMSS 反演之總可降水量場(圖 4.2 A 至 F)都可以發現原先 15 日位於中南半島上的熱帶氣旋梅莎殘餘水氣於 17 日開始向西移至印度洋並進入背風渦漩的環流內(圖 4.2 A、B 及圖 4.2 a、b)，另外從 15 日至 19 日之模式以及 CIMSS 反演之總可降水資料也可發現原先位於南、北印度洋成對氣旋之間的赤道水氣帶也移入背風渦旋的環流內(圖 4.2 A 至 C 及圖 4.2 a 至 c)，而從這兩組資料也可以發現 17 日於南海上方的熱帶氣旋諾 23.

(42) 爾之殘留水氣亦在 19 日時進入北印度洋，隨後亦移入至背風渦旋的環流內，高相對溼度的中低層大氣是熱帶氣旋生成的要素之一(Gary,1968)，而上述來自赤道以及兩個南海熱帶氣旋殘留系統的水氣移入至背風渦旋環流內非常有機會促使背風渦旋發展為熱帶氣旋，另外如本研究 3.2 節中所述，EC YOTC 再分析資料的總可降水量場也可發現來背風渦旋有受到來自赤道以及兩個南海熱帶氣旋的水氣平流現象，圖 4.3 為 2008 年 11 月 14 日 1200 UTC 至 11 月 22 日 EC YOTC 再分析資料之 700 hPa 經向平均相對渦度哈莫圖，圖 4.4 則為同期間相近高度(3091 m)CReSS 之經向平均相對渦度哈莫圖，可以發現 CReSS 模擬的結果和 EC YOTC 再分析資料是非常一致的。而圖 4.5 為 2008 年 11 月 14 日 1200 UTC 至 11 月 22 日 EC YOTC 再分析資料之經向平均總可降水量哈莫圖，圖 4.6 則為同期間 CReSS 之經向平均總可降水量哈莫圖，可以發現 CReSS 模擬的結果亦和 EC YOTC 再分析資料是一致的，代表 CReSS 對於南海的正渦度以及水氣平流至北印度洋的現象有很好的掌握能力。 (2)強度及路徑圖 4.7 為氣旋風暴 Nisha 地面近中心最大風速之折線圖，圖 4.8 為中心最低氣壓之折線圖。對於模式模擬之控制組而言，達到氣旋風暴強度風速(34 kts)之時間點僅稍快於 JTWC 所推估的時間 1 天半左右，且對於達到氣旋風暴強度後的強度模擬也和 JTWC 所推估的強度十分的接近，模擬之最大近中心風速為 54 節，JTWC 推估之最大風速為 50 kts。而氣壓方面，於氣旋風暴 Nisha 巔峰時期，模擬之最低中心氣壓則相較 JTWC 所推估的最低中心氣壓較來的偏高，模擬的最低中心氣壓為 993 hPa，JTWC 所推估的最低中心氣壓為 985 hPa，而以趨勢而言，模擬的氣壓值和 JTWC 的推估值也十分相近，均於 24 日 1800 UTC 時氣壓開始顯著下降，於 27 日 0600 UTC 時開始顯著上升，模式對於氣旋風暴 Nisha 強度的掌握是相當不錯的。. 24.